Lista 4 sem Gabarito

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Operações Unitárias II 
 
Lista 4 
 
Problema 1: (Extraído de Chemical Process Design and Integration, Robin Smith) 
 Um refervedor deve fornecer 0,1 kmol/s de vapor para o fundo de uma coluna de destilação. O produto 
de fundo corresponde a butano puro que, na pressão de operação da coluna de 19,25 bar, apresenta uma 
temperatura de saturação igual a 112 ºC. Para executar este serviço será utilizado vapor saturado a 140 ºC 
(considere, neste caso, um coeficiente de película de 5700 W/m2K, já incluindo a sujeira), alimentado em um 
kettle, composto por tubos de 30 mm de diâmetro externo, 2 mm de espessura, 3,95 m de comprimento, arranjo 
90º, razão de passo 1,50 e condutividade térmica 45 W/mK. Estime o número de tubos mínimo necessário para 
executar esta tarefa. Avalie também possíveis problemas associados ao fluxo crítico. 
 
Dados da corrente de butano - I: 
Propriedade Valor 
Temperatura crítica (K) 452,2 
Pressão crítica (bar) 38 
Calor de vaporização (kJ/kg) 233 
Resistência de depósito (m2K/W) desprezível 
 
 
Dados da corrente de butano - II: 
Propriedade Líquido Vapor 
Massa específica (kg/m3) 443,43 51,66 
Capacidade calorífica (J/molK) 193,70 168,91 
Viscosidade (Pas) 6,7610-5 1,07610-5 
Condutividade térmica (W/mK) 0,0747 0,0302 
 
Problema 2: 
 Apresente uma proposta equivalente para um refervedor vertical utilizando a abordagem preliminar 
proposta por Frank e Prickett (1973). Utilize os mesmos parâmetros básicos de projeto do trocador anterior. 
 
Problema 3: 
 Utilizando um procedimento de integração do trocador ao longo da área de troca térmica, verifique se o 
refervedor projetado no problema anterior atenderia ao serviço. Estipule uma fração vaporizada do butano 
retornando à coluna de 20%. Ignore os efeitos de variação do ponto de ebulição com a pressão e considere que 
a ebulição nucleada ocorra ao longo de todo o trocador. 
 
Problema 4: (Baseado em Heat Exchanger Design Handbook) 
 Seja o seguinte serviço térmico relativo ao refervedor de uma coluna de destilação de uma mistura de 
hidrocarbonetos: 
 Carga térmica: 14,6 MW, Pressão de operação: 1000 kPa, Condições no fundo da coluna: ponto de 
bolha: 140 ºC, ponto orvalho: 180 ºC, Pressão crítica: 3400 kPa, Calor latente: 3,49105 J/kg, Viscosidade do 
líquido: 4,110-5 Pas, Viscosidade do vapor: 0,410-5 Pas, Capacidade térmica do líquido: 2090 J/kgK, Massa 
específica do líquido: 640 kg/m3, Massa específica do vapor: 24 kg/m3, Temperatura de saturação do vapor para 
aquecimento: 190 ºC, Coeficiente de convecção para o vapor para aquecimento: 8500 W/m2K (sujo). 
 Verifique se o trocador abaixo atende à necessidade apresentada: 
 Tipo: Kettle, Diâmetro dos tubos: 19 mm, Arranjo dos tubos: quadrado, Passo: 25,4 mm, Comprimento: 
6,1 m, Diâmetro do feixe: 1,42 m, Área: 930 m2, Condições de retorno da corrente para o fundo da coluna: 165 
ºC e 30% vaporizado, Resistência de depósito: 3,510-4 m2K/W. 
Problema 5: 
Em uma planta industrial, há dois reatores adiabáticos alinhados em série que processam uma vazão de 
90000 kg/h. Uma vez que a reação é exotérmica, visando limitar o aumento de temperatura (o que implicaria 
em uma redução na conversão da reação devido ao equilíbrio), a corrente de gás que sai do primeiro reator a 
360 ºC deve ser resfriada até 300 ºC passando através de um vaporizador tipo kettle antes de entrar no reator 
subseqüente. No kettle, a energia liberada pela reação é aproveitada para gerar vapor saturado a 65 bar abs., 
correspondendo a uma temperatura de saturação de 280 ºC. Determinar uma estimativa da área mínima de troca 
térmica, indicando o número de tubos e o comprimento correspondente. Adotar uma velocidade de escoamento 
nos tubos de 10 m/s. Não é necessário avaliar questões associadas ao fluxo crítico. 
 Dados do trocador: Serviço: vaporizador, Tipo: AKU, Número de passes nos tubos: 2, Diâmetro dos 
tubos: 1 in, Arranjo: 90º, Passo: 1,25 in, Espessura dos tubos: 0,065 in, Material: aço inox, Condutividade 
térmica: 20 W/mK 
- Propriedades físicas – Gás: Massa específica: 20 kg/m3, Capacidade calorífica: 2500 J/kgK, 
Viscosidade: 310-5 Pas, Condutividade térmica: 0,18 W/mK, Fator de incrustação: 0,0001 m2K/W. 
- Propriedades físicas – Vapor d´água saturado: Massa específica: 30 kg/m3, Capacidade calorífica: 
5000 J/kgK, Viscosidade: 210-5 Pas, Condutividade térmica: 0,06 W/mK, Calor de condensação: 1,53106 
J/kg, Fator de incrustação: 0,0001 m2K/W. 
- Propriedades físicas – Água líquida saturada: Massa específica: 747 kg/m3, Capacidade calorífica: 
5300 J/kgK, Viscosidade: 910-5 Pas, Condutividade térmica: 0,6 W/mK, Calor de vaporização: 1,53106 J/kg, 
Fator de incrustação: 0,0001 m2K/W. 
- Coordenadas críticas da água: 647,3 K, 22,09 MPa, 0,0568 m3/kmol. 
 
Problema 6: (Adaptado de Chemical Process Design and Integration, Robin Smith) 
 Uma corrente de vapor de acetona (massa molar: 58,08 kg/kmol) com vazão 0,1 kmol/s proveniente do 
topo de uma coluna de destilação deverá ser condensada (sem subresfriamento) em um trocador de calor casco-
e-tubo horizontal. A condensação deve ocorrer no casco utilizando água de resfriamento em duas passagens nos 
tubos (fornecimento a 25 ºC e retorno a 35 ºC). A pressão de operação do condensador é 1,52 bar, com 
temperatura de saturação correspondente a 67 ºC. O condensador será fabricado em aço (condutividade térmica 
45 W/mK), com tubos de 20 mm de diâmetro e 2 mm de espessura. Os tubos do feixe serão organizados em 
um arranjo quadrado com razão de passo 1,25. O espaçamento entre as chicanas corresponde a 50% do 
diâmetro do casco. A velocidade de escoamento da água nos tubos deve ser de 2,0 m/s. Considerar que a massa 
específica do líquido é muito maior que a do vapor. Apresente uma estimativa para a área de troca térmica e 
para as quedas de pressão (ignorar a perda de carga nos bocais). 
 
 Dados das correntes: 
Propriedade Acetona(liq) Acetona(vap) Água 
Massa específica (kg/m3) 735 3,04 996 
Capacidade térmica (J/kgK) 2325 1406 4180 
Viscosidade (Pas) 0,21410-3 9,1710-6 0,79710-3 
Condutividade térmica (W/mK) 0,165 0,0149 0,618 
Calor de vaporização (kJ/kg) 509 509 2200 
Resistência de depósito (m2K/W) 0,00009 0,00009 0,0002 
 Nota: Propriedades da acetona: https://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Thermophysical_Properties:_Acetone 
 
Problema 7: 
 Resolva o problema anterior, substituindo a configuração proposta por um trocador vertical com 
condensação nos tubos. Mantenha o diâmetro do casco e o número de tubos da solução anterior, ajustando o 
comprimento dos tubos de acordo com a demanda do serviço. 
 
Problema 8: 
 Apresente uma nova opção de projeto, seguindo a mesma premissa da questão anterior, porém 
considerando que a corrente de acetona deve sair do trocador com 10 ºC de sub-resfriamento. 
 
Problema 9: 
Visando aumentar a capacidade de uma coluna de destilação atmosférica de metanol, deseja-se avaliar a 
capacidade máxima do condensador total atualmente instalado. Com este objetivo, torna-se necessário calcular 
a vazão máxima que pode ser condensada. 
 Trocador: Caracterização: Trocador do tipo AES com condensação no lado dos tubos; Posicionamento: 
vertical; Número de passes no casco e nos tubos: 1-1 em contracorrente; Número total de tubos: 1657; 
Diâmetro e comprimento dos tubos: 3/4 in BWG 16 (espessura: 0,065 in) e 20 ft; Condutividade térmica dos 
tubos: 50 W/mK; Arranjo e passo nos tubos: 90 e 1 in; Diâmetro do casco: 1219 mm; Espaçamento e corte das 
chicanas: 1000 mm e 25%; Suprimento de utilidade: Água de resfriamento fornecida com vazão de 2500 m3/h a 
32 C; Resistências de depósito para o metanol e para a água de resfriamento: 0,0002 m2K/W e 0,0006 m2K/W Propriedades físicas:  Água de resfriamento: Massa específica: 995 kg/m3, Capacidade térmica: 4200 
J/kgK, Viscosidade: 0,810-3 Pas, Condutividade térmica: 0,59 W/mK;  Metanol vapor: Massa específica: 
1,22 kg/m3, Capacidade térmica: 4440 J/kgK, Viscosidade: 11,110-6 Pas, Condutividade térmica: 0,0183 
W/mK;  Metanol líquido: Massa específica: 748,2 kg/m3, Capacidade térmica: 2830 J/kgK, Viscosidade: 
0,54410-3 Pas, Condutividade térmica: 0,191 W/mK;  Equilíbrio líquido-vapor do metanol: Ponto de 
ebulição normal de 64 C com calor de vaporização de 1101 kJ/kg; 
 
Problema 10: 
 Um tanque de 2 m de diâmetro e 3 m de altura com um agitador com pás radiais planas de 1 m de 
diâmetro é utilizado para fazer uma mistura a quente (140 ºC) de duas correntes A e B alimentadas a 
temperatura ambiente (30 ºC). As correntes A e B possuem vazão de 600 L/h e 800 L/h, respectivamente. O 
tanque é agitado a 100 rpm e o fluido de aquecimento é vapor saturado a 150 ºC (coeficiente de convecção para 
a condensação do vapor no interior da serpentina igual a 8500 W/m2K). Devido à agitação e a natureza dos 
fluidos, pode-se desconsiderar eventuais problemas de deposição. Dimensionar a área total da serpentina para 
executar o serviço (diâmetro 2 in, espessura 0,065 in e condutividade térmica 45 W/mK). 
 
Propriedade* Valor 
Massa específica (kg/m3) 800 
Capacidade térmica (J/kgK) 2500 
Viscosidade (Pas) 1,210-3 
Condutividade térmica (W/mK) 0,250 
*Como os dois componentes são quimicamente muito 
semelhantes, suas propriedades podem ser consideradas 
iguais. 
 
Problema 11: 
 Considerando a troca do vapor saturado por um óleo térmico com alimentação a 170 ºC e retorno a 150 
ºC, verificar se o projeto proposto no problema anterior ainda é válido. Caso contrário, redimensione a 
serpentina. 
 
Propriedade do óleo Valor 
Massa específica (kg/m3) 950 
Capacidade térmica (J/kgK) 1950 
Viscosidade cinemática (m2/s) 1,510-6 
Condutividade térmica (W/mK) 0,150 
 
Problema 12: 
 Um reator tanque de aço carbono foi dimensionado com 3 m de diâmetro, 10 mm de espessura e 2 m de 
altura útil, associado a correntes de alimentação e retirada equivalentes a 10 m3/h. O sistema de agitação é 
composto por um impelidor do tipo hélice naval de 1 m de diâmetro que gira a 50 rpm. A corrente de 
alimentação está a 40 ºC e o reator irá operar a uma temperatura de 120 ºC com uma taxa de calor liberada pela 
reação de 100 kW/m3. O sistema de resfriamento deste reator será composto por um trocador com recirculação 
externa utilizando água de resfriamento com alimentação à 32 ºC e retorno a 40 ºC. Determinar a área de 
transferência de calor de um trocador de calor casco-e-tubos 1-2 para execução deste serviço. Dados do 
trocador: Velocidade de escoamento da água no interior dos tubos: 2 m/s, Approach de 10 ºC, Diâmetro dos 
tubos: 3/4 in BWG 16, Razão de passo: 1,25, Espaçamento de entre chicanas: 50% do diâmetro do casco, 
Material: aço carbono. Propriedades físicas: Água de resfriamento: Massa específica = 995 kg/m3, Capacidade 
calorífica = 4200 J/kgK, Viscosidade dinâmica = 0,810-3 Pas, Condutividade térmica = 0,59 W/mK, Fator de 
sujeira = 0,0006 m2ºC/W; Corrente de processo: Massa específica = 750 kg/m3, Capacidade calorífica = 2840 
J/kgK, Viscosidade dinâmica = 0,001 Pas, Condutividade térmica = 0,2 W/mK, Fator de sujeira = 0,0001 
m2ºC/W; Aço carbono = Condutividade térmica = 50 W/mK 
 
Problema 13: 
 Verifique se é viável substituir o trocador externo do problema anterior por uma serpentina meia cana 
por onde a água de resfriamento escoaria a 1,5 m/s. 
 
Problema 14: 
Em um tanque de mistura deve ser instalado um sistema de aquecimento formado por um trocador 
externo, tal como indicado na figura: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Determinar o número de tubos e o comprimento mínimo dos tubos do trocador, assim como a potência 
da bomba de recirculação. 
Dados das correntes de entrada: (1) Temperatura 30 ºC, Vazão: 40000 kg/h, Capacidade calorífica: 2500 
J/kgK (2) Temperatura: 40 ºC, Vazão: 80000 kg/h, Capacidade calorífica: 3000 J/kgK. Dados da corrente de 
saída: (3) Temperatura: 90 ºC, Vazão: 120000 kg/h, Massa específica: 800 kg/m3, Capacidade calorífica: 2833 
J/kgK, Viscosidade dinâmica: 0,002 Pa∙s, Condutividade térmica: 0,2 W/mK, Fator de sujeira: 0,0001 W/mK. 
Utilidade quente: Fluido térmico, Temperatura de entrada: 200 ºC, Temperatura de saída: 170 ºC, Massa 
específica: 850 kg/m3, Capacidade calorífica: 2900 J/kgK, Viscosidade: 0,0008 Pa∙s, Condutividade térmica: 
0,1 W/mK, Fator de sujeira: 0,0001 W/mK. Dados do trocador: Tipo: Casco-e-Tubo, Alocação das correntes: 
Corrente de processo no lado dos tubos, Configuração: 1-4, Tubos: 3/4 in BWG 16 (espessura 0,065 in) de aço 
carbono (Condutividade térmica: 50 W/mK), Arranjo: 90º com razão de passo 1,25, Chicanas: segmentadas 
simples com corte 25% e espaçamento equivalente a 100% do diâmetro do casco. Dados do tanque: Altura: 3 
m, Diâmetro: 2 m. Dados do sistema hidráulico: Comprimento e diâmetro da tubulação: 10 m e 8 in SCH 40 
(8,625 in OD e 0,322 in), Eficiência da bomba: 60%. Bases do projeto: (a) Desprezar a perda de calor para o 
ambiente, (b) Adotar uma velocidade de escoamento no interior dos tubos equivalente a 2 m/s, (c) Para evitar 
degradação térmica, considerar que a corrente de processo deve deixar o trocador a 120 ºC. 
 
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